基本信息
- 项目名称：
- 新型自适应四旋翼飞行器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用嵌入式智能控制技术，提出并实践了一套自主检测、适时调整航向、具有自适应性导航飞行控制方案。在核心控制上，作品基于飞行器的非线性数学模型，应用卡尔曼滤波、方向余弦、四元数等多种算法对传感器数据进行处理得到精确的飞行姿态。同时先进的神经网络算法及绝对位置检测单元的应用提高了飞行质量，实现自主飞行和定位巡航功能。因此该飞行器能够应用于搜救、航拍和侦察等方面，成为一种军民两用的高技术产品。
- 详细介绍：
- 随着航天技术的不断发展和成熟，微小型无人机已经成为全世界航天领域研究的重要方向之一。本作品是一种微小型四旋翼无人机（又名微小型四旋翼飞行器）。 该飞行器采用嵌入式智能控制技术,建立了一套基于微处理器下的自主检测并适时调整航向的具有自适应性导航飞行控制方案并将其应用于微小型四旋翼飞行器。我们在研究微小型四旋翼飞行器的空气动力学的非线性数学模型的基础之上，应用卡尔曼滤波算法对传感器数据进行滤波处理和融合，应用方向余弦和四元数算法对滤波后的数据进行二次处理，从而得到飞行过程中精确的飞行状态变量。进一步运用神经网络整定的算法结合四旋翼飞行器的数学模型进行飞行控制。使飞行器的在多种环境中都能快速、平稳飞行，甚至能高质量的完成空中悬停、低速平飞等高难度飞行动作。此外，由气压传感器等模块组成的绝对位置检测单元能准确计算出飞行器在绝对空间中的位置，并有效地消除误差积累，使飞行器能够做到自主飞行和定位巡航。从而使四旋翼飞行器能够应用于海洋勘探、搜救、航拍、侦察和监视等方面，因而该四旋翼飞行器将成为一种军民两用的高技术产品。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计目的： 改进现有的四旋翼飞行器，使其具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制，同时具有空中平稳悬停、15米/秒左右高速巡航等功能，并能够通过GPS确定空间位置，具有一定的应用价值。 2、作品创新点： 该四旋翼飞行器采用嵌入式智能控制技术，其主控制器选用了专用于数字信号处理的DSP微处理器，协处理器选用了高性能、低成本的STM32单片机，并使用了高精度的惯性测量单元和气压传感器等模块对四旋翼飞行器进行了状态检测，为四旋翼飞行器提供了良好的硬件基础；通过卡尔曼算法对传感器的数据进行滤波并采用方向余弦和四元数算法对滤波数据进行二次处理进而生成飞行过程中的状态变量参数，再利用绝对位置检测单元得到的数据消除其误差积累。经RBF神经网络整定的PID算法对飞行器的飞行过程进行控制。基于高端的硬件平台和先进飞行控制算法，制作出了稳定性高、自适应性能力强，并能完成空中高难度动作的四旋翼飞行器。 3、作品关键技术： 飞行器的处理器短时间内完成大量的算法计算和数据滤波处理；高精度的机体状态测量和环境监测；即时的数据反馈和对遥控器的响应；状态变量的估计和飞行控制算法。 4、技术指标： 飞行高度：≥250米； 飞行速度：≥15米/秒； 滞空时间：≥20分钟； 惯性单元精度：静态±1°、动态±3°； 悬停精度：≤1.0米。
科学性、先进性
- 主控制器DSP通过卡尔曼算法对惯性单元的输出数据进行滤波处理并采用方向余弦和四元数算法对滤波数据进行二次处理,得到四旋翼飞行器当前的飞行状态。有效的解决了现有微小型飞行器因受多种物理因素的作用而无法得到稳定数据的问题，为飞行器的平稳飞行提供了必要条件；采用三轴磁罗盘测算绝对方向,同时对飞行状态进行修整，有效的消除了惯性单元长时间误差积累的问题. 此外，主要由GPS、气压传感器等模块组成的绝对位置检测单元能准确计算出飞行器当前的经纬度、航向、航速和飞行高度等参数，并且能够准确确定出飞行器在绝对空间中的位置，使飞行器能够做到自主飞行和定位巡航. 通过在DSP处理器强大运算功能支持下的RBF神经网络整定的PID算法，使四旋翼飞行器在现有的欠驱动、多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的系统中仍能兼顾动态响应速度与飞行控制的鲁棒性，从而能够成为具有垂直起降、空中悬停、航迹跟踪飞行控制和高速巡航等功能的飞行器。
获奖情况及鉴定结果
- “挑战杯”2011河北省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作
作品可展示的形式
- 模型、图纸、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、技术特点及其优势:该飞行器飞行控制算法的运用使飞行器具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制，且能够达到精度在1.0米的范围之内的空中悬停。此外，合理的动力与能源装置，使飞行器具有长达20分钟以上的滞空时间和15米／秒左右的飞行速度。同时飞行器还具有能够垂直起降、机器生存能力强、有效载荷大等特点。另外,飞行器简单的机械制造工艺及低廉的成本使其易于工业化的大批量生产及应用。 2、应用范围及推广前景:微小型四旋翼飞行器融合了直升机与固定翼飞机的优点，同时因该飞行器具有卓越的飞行控制性能和对各种环境极强的自适应性能力，所以它不仅适合在近地面环境中执行科学数据收集，而且为危险环境中的监视、侦察、营救和突击运输等工作提供了良好的空中平台。前期福岛核电站爆炸，造成大范围的核污染，而搜救和数据收集的工作非常无人飞行器来完成，这样不仅大大降低成本还提高人员安全保障，因而使其具有更为广阔的军事和民用前景。
同类课题研究水平概述
- 无人飞行器（UAV）自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如：侦察与营救任务，科学数据收集，地质、林业勘探，农业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等。通过无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。 无人飞行器的主要优点包括：系统制造成本低，在执行任务时人员伤害小，具有优良的操控性和灵活性等。而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势还包括：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。由国际无人运输系统协会(International Association for Unmanned Vehicle Systems）组织的一年一度的国际空中机器人竞赛(International Aerial Robotics Competition)，为自主旋翼式飞行器的应用潜力研究提供了一个很好的展示平台。该竞赛吸引了来自全世界不同国家研究团队的参与，来完成预先设定的自主飞行任务。 在无人飞行器自主飞行的众多技术当中，飞行器自主飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心的问题之一。经典的控制策略在飞行器系统的某个特定作用点上往往首先将系统模型线性化，然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制能力偏弱。相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明显优于经典控制算法。 小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，且飞行机动能力更加灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有在小区域范围内起飞，盘旋，飞行，着陆的能力。飞行器可以飞至离目标更近的区域，而不像传统直升机由于其巨大的单旋翼而不能近距离靠近目标。 同时，小型四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。在机器人的智能控制，三维路径规划，多飞行器的空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器自主飞行技术都具有极高的研究价值。
